劉 笑，吳陽(yáng)江，吳冬燕，張正中，劉 昊

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215104）

1 引言

聚合物嚴(yán)格意義上包含低聚物和高聚物，高分子與聚合物的概念大部分相交疊。一般而言，聚合物代表的是高聚物，因此聚合物在絕大多數(shù)情況下和高分子是同義詞。高分子材料有天然和非天然之分，天然高分子有較長(zhǎng)使用歷史，但非天然高分子的出現(xiàn)距今不到兩百年，經(jīng)過(guò)一百多年，特別是近五六十年的高速發(fā)展，高分子材料作為材料的一種，已遍布人類(lèi)生產(chǎn)生活等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的方方面面，成為與無(wú)機(jī)非金屬材料、金屬材料并列的重要材料。

從特性視角來(lái)看，高分子材料可以分為塑料、纖維、橡膠、涂料、粘合劑以及復(fù)合材料六種。高分子材料一般具有電絕緣性、低熱傳導(dǎo)性以及一定程度的彈性與拉伸性能。此外，根據(jù)需要，可以對(duì)高分子材料進(jìn)行改性或設(shè)計(jì)合成，形成某些功能性高分子，具有諸如一定的剛性、電激活性、耐火性、類(lèi)生物酶等其他特性。

聚乙烯(PE)是一種常見(jiàn)的工業(yè)聚合物，絕緣性、延展性相對(duì)較好，但應(yīng)用時(shí)在力學(xué)性能方面卻存在一些不足，需要對(duì)其進(jìn)行改性后才能使用，近年來(lái)，針對(duì)聚乙烯力學(xué)性能優(yōu)化的改性方法如下。

2 聚乙烯改性方法概述

PE是一種熱塑性材料，其工業(yè)化生產(chǎn)始于上世紀(jì)三十年代，兼具價(jià)格低廉，加工方便的優(yōu)點(diǎn)，需求量較大。PE從密度上劃分，可以分為高密度、中密度和低密度三種。高密度PE通過(guò)低壓方式制造，表面硬度較高，環(huán)境耐受力較強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)管材、片材的生產(chǎn)中。中密度PE的性能介于高密度和低密度PE之間，在薄膜及容器中經(jīng)常被使用。低密度PE，材質(zhì)較軟，透明性較好，主要用來(lái)制造塑料袋及保溫膜等。其中，線性低密度PE透明度略差，但具有良好的低溫韌性和較高的模量，有一定的抗沖擊性能。

當(dāng)PE本身所具有的屬性不滿(mǎn)足應(yīng)用環(huán)境的要求是，常采用改性的方法對(duì)其某項(xiàng)性能進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。從改性的途徑來(lái)看，可將改性方法分為化學(xué)類(lèi)方法和物理類(lèi)方法，方法介紹和該方面的相關(guān)研究進(jìn)展如下。

2.1 化學(xué)類(lèi)改性方法

PE的化學(xué)類(lèi)改性伴隨著PE應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)展，一直活躍在研究和工業(yè)生產(chǎn)中，其改性途徑主要包括支化法和交聯(lián)法等方法。

對(duì)PE進(jìn)行支化改性，主要是對(duì)其分子鏈進(jìn)行其他官能團(tuán)或鏈的接枝，從而實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)性、彈性及粘結(jié)性等性能的調(diào)控。Bubeck在其文章中指出，長(zhǎng)的支鏈通過(guò)茂金屬接入線性高分子鏈中，能有效提升其剪切稀釋特性，并對(duì)熔融體的彈性有較大加強(qiáng)[1]。付朝霞等研究者把馬來(lái)酸酐接枝PE用于Al(OH)3和PE的體系中，有效改善了粘結(jié)性，提升了體系的力學(xué)性能，并使混合溶體的流動(dòng)性得到改善[2]。

化學(xué)反應(yīng)交聯(lián)和輻照交聯(lián)是交聯(lián)改性的兩種基本方式，對(duì)PE而言，輻照方式簡(jiǎn)單易行，但輻照對(duì)材料縱向厚度有要求，且要考慮PE鏈在輻照中的斷裂情形；化學(xué)反應(yīng)方式限制較略少，效率較高，但需要引入新的化學(xué)物質(zhì)。Kang等研究者使用二叔丁基過(guò)氧化物作為交聯(lián)劑，系統(tǒng)研究了高密度PE在交聯(lián)劑作用下的交聯(lián)情況，指出溫度控制在該化學(xué)交聯(lián)方式中相比剪切速率有著更大的影響[3]。Berger等研究者利用電子束輻照的方式，實(shí)現(xiàn)了PE的交聯(lián)，所獲得的交聯(lián)材料對(duì)小分子碳?xì)浠衔餄B透的阻擋性能比未輻照的PE有大幅增強(qiáng)[4]。

2.2 物理類(lèi)改性方法

共混法和填充法是PE常用的物理類(lèi)改性方法，搜索文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，許多課題組在這兩種方法上有非常多的嘗試。

共混改性是在將兩種不同的高分子按一定的比例，充分混合后形成新的共混物來(lái)實(shí)現(xiàn)某些性能優(yōu)化的方法，該方法成本低廉，性能調(diào)控范圍較寬，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單。李健等人通過(guò)熔融共混的方法，選用一種乙烯-丁烯的共聚物對(duì)PE材料進(jìn)行改性，并對(duì)其結(jié)晶性能、流變行為和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新的共混物熔融溫度提升，黏度大幅下降，力學(xué)性能仍能得到保持，并具有更好的流動(dòng)性和加工性能[5]。Swan等研究者針對(duì)兩種重均分子量不同的高密度PE共混體系，其密度低于原始兩種混合前的材料，研究?jī)烧呓M分對(duì)材料膨脹系數(shù)的影響，分析得出其中重均分子量較高的含量約為40%時(shí)，材料的膨脹系數(shù)達(dá)到最高[6]。

填充改性通常是針對(duì)熱塑性高分子材料，通過(guò)在其中加入無(wú)機(jī)顆粒來(lái)構(gòu)建復(fù)合體系，使材料的某些性能得到優(yōu)化。PE作為電纜包層常用的一種材料，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提升其安全性，一般會(huì)在其中添加阻燃劑。在阻燃效果方面，含鹵族元素的阻燃劑表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但存在污染環(huán)境危害健康的風(fēng)險(xiǎn)，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。許多無(wú)機(jī)顆?？梢宰鳛榄h(huán)境友好型的阻燃劑，即使在燃燒中也不會(huì)產(chǎn)生危害環(huán)境的毒性物質(zhì)。劉巖等研究者通過(guò)雙螺桿擠出的方法，制備二氧化鈦和低密度PE的共混復(fù)合材料，對(duì)其力學(xué)性能、熱性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率有了提高，并且發(fā)現(xiàn)熱穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)，在一定填充范圍內(nèi)二氧化鈦未發(fā)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象[7]。劉鈺馨等研究者向低密度線性PE材料添加納米碳酸鈣粉末，研究了形成復(fù)合體系中PE的結(jié)晶行為，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示納米碳酸鈣能夠使其中的有機(jī)組分晶體生長(zhǎng)更完善，有利于降低低密度PE晶體被外界應(yīng)力的破壞程度[8]。

3 聚乙烯改性方法展望

材料應(yīng)用性能的優(yōu)化與其微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控密不可分，作為結(jié)晶的聚合物材料，PE的力學(xué)性能與其結(jié)晶過(guò)程中晶區(qū)與非晶區(qū)的狀態(tài)有直接關(guān)系?？臻g受限法是影響聚合物結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程的重要技術(shù)手段，由于其具有較強(qiáng)的可操作性以及成本相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，被部分聚合物材料公司所使用。在聚合物材料生產(chǎn)中添加金屬粉末可影響其內(nèi)部凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而顯著改變材料的力學(xué)性能。在PE中填充金屬粉末，能夠通過(guò)聚合物內(nèi)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)顯著影響PE的晶體生長(zhǎng)，并借助填充濃度和顆粒大小的調(diào)節(jié)對(duì)晶體生長(zhǎng)過(guò)程與體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制。PE材料在其晶體受控生長(zhǎng)和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系方面已有一些研究者的結(jié)果，但如何通過(guò)填充工藝設(shè)計(jì)與填充材料性狀選擇去提升力學(xué)強(qiáng)度，在未來(lái)還非常需要系統(tǒng)的研究。